基于诱导鸟粪石结晶的船舶生活污水处理及资源回收一体化工艺

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针对船舶生活污水排放导致的海洋水环境污染问题,结合船舶生活污水和海洋资源特点,本文开发了一种基于诱导鸟粪石结晶的船舶生活污水处理及资源回收一体化工艺(An integrated process for ship domestic sewage treatment and resource recovery based on induced struvite crystallization,SDST-RR),该工艺在净化船舶生活污水的同时,还能以诱导鸟粪石(Magnesium ammonium phosphate,MAP)结晶的形式实现氮、磷、镁资源的同步回收,具有重要的理论意义和实用价值,主要研究结果如下:通过210天不同进水盐度(7个盐度梯度分别为:1.85 g/L、2.85 g/L、3.85 g/L、4.85 g/L、5.85 g/L、6.85 g/L和7.85 g/L)的驯化后,工艺活性污泥单元在7.85 g/L进水盐度条件下可实现稳定的污染物去除效率(COD、NH4+-N、TN和TP去除率分别为~93.42%、~72.32%、~67.61%和~41.35%)。扫描电子显微镜(SEM)和微生物胞外聚合物(EPS)测试结果表明,活性污泥系统中杆菌数量随着盐度的提升而提升,并且微生物在高盐度胁迫下会分泌更多EPS自我保护。基于16S r RNA的高通量测序分析结果显示,随着盐度的提升,活性污泥系统中耐盐脱氮除磷功能菌(Propionibacterium、Nitrospira和Thermomonas等)的占比逐渐升高。耦合诱导MAP结晶单元可显著提高SDST-RR工艺对氮磷的去除效果。实验采用斜发沸石作为诱导MAP结晶晶种,温度改性和盐浸渍改性均可以提高沸石对氮磷的去除效率,比表面积(BET)结果表明经过400℃和3M Mg Cl2混合改性后的沸石比表面积增大。以改性斜发沸石为晶种,对诱导MAP结晶反应器进行优化,在曝气量为400 L/h、晶种投加量为60 g/L的条件下结晶反应器对氮、磷回收效率分别为66.88%和91.04%。扫描电镜能谱分析(SEM-EDS)和X-射线衍射(XRD)结果表明在改性后的沸石表面形成鸟粪石结晶,表明耦合诱导MAP结晶单元的SDST-RR工艺具有较大的氮磷回收潜力。对SDST-RR工艺水力停留时间(HRT)进行优化,结果表明:在HRT 20 h时,出水COD、NH4+-N、TN和TP浓度分别为~34.73 mg/L、~4.31 mg/L、~10.07 mg/L和~0.21 mg/L。适当增加HRT可使生物反应单元中悬浮或者附着的微生物处理有机物的效率上升;同时也有利于MBR膜强制截留更多的溶解性大分子与悬浮物。随后考察了不同碳氮比(C/N)和氮磷比(N/P)的进水条件下对工艺稳定运行性能的影响,结果表明:在C/N 7.80~9.81、N/P 7.27~10.90时,工艺运行效果最佳(出水COD、NH4+-N、TN和TP的浓度分别为34.62±6.07 mg/L、3.56±2.01 mg/L、8.75±3.11mg/L和0.11±0.10 mg/L),出水满足《船舶水污染物排放控制标准》(GB3552-2018)中船舶生活污水污染物排放限值和IMO.MEPC 227(64)决议要求。实验结合跨膜压差(TMP)、扫描电子显微镜-元素分析能谱(SEM-EDS)和傅立叶转换红外线光谱(FT-IR)测试手段对耦合前后工艺中膜生物反应器(MBR)表面污染物进行探究,结果发现:诱导MAP结晶单元的耦合会给工艺引入大量的无机盐和MAP微晶,导致无机沉淀物质在膜表面形成泥饼层造成膜堵塞,使得膜渗透性下降以及TMP增大;FT-IR和SEM-EDS测试结果表明,膜污染程度会随着进水盐度的升高而增大,膜污染物质中蛋白质(PN)和多糖(PS)的含量在7.85 g/L的盐度条件下最高,并且膜丝表面出现明显的盐析颗粒和微晶颗粒。
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